高二物理選修3-5 科學(xué)的轉(zhuǎn)折光的粒子性 ppt

1、光電效應(yīng) 光子,第二節(jié)(2課時),第1課時,問題：回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)人類對光的本性的認識的發(fā)展過程？,用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗電器相連），使驗電 器張角增大到約為 30度時，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗電器的指針張角會變大。。,一、光電效應(yīng)現(xiàn)象,表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電,,,定義：,在光(包括不可見光)的照射下，從物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。,發(fā)射出來的電子叫做光電子,1.什么

2、是光電效應(yīng),當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。,石英窗,光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出----光電子。,光電子在電場作用下形成光電流。,2.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律,1. 光電效應(yīng)實驗,將換向開關(guān)反接，電場反向，則光電子離開陰極后將受反向電場阻礙作用。,當 K、A 間加反向電壓，光電子克服電場力作功，當電壓達到某一值 Uc 時，光電流恰為0。 Uc稱遏止電壓。,遏止電壓,,,I,Uc,O

3、,U,光 強 較 弱,光電效應(yīng)伏安特性曲線,光電效應(yīng)實驗裝置,遏止電壓,,,一、光電效應(yīng)的實驗規(guī)律,,,,,I,I,s,U,a,O,U,光 強 較 強,光 強 較 弱,光電效應(yīng)伏安特性曲線,光電效應(yīng)實驗裝置,遏止電壓,,飽和電流,,,一、光電效應(yīng)的實驗規(guī)律,2. 光電效應(yīng)實驗規(guī)律,①.光電流與光強的關(guān)系,飽和光電流強度與入射光強度成正比。,②.截止頻率?c ----極限頻率,對于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率

4、?c 。,當入射光頻率? > ?c 時，電子才能逸出金屬表面；,當入射光頻率? < ?c時，無論光強多大也無電子逸出金屬表面。,③光電效應(yīng)是瞬時的。從光開始照射到光電逸出所需時間<10-9s。,經(jīng)典理論無法解釋光電效應(yīng)的實驗結(jié)果。,經(jīng)典認為，按照經(jīng)典電磁理論，入射光的光強越大，光波的電場強度的振幅也越大，作用在金屬中電子上的力也就越大，光電子逸出的能量也應(yīng)該越大。也就是說，光電子的能量應(yīng)該隨著光強度的增加而增大，不應(yīng)該

5、與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什么截止頻率。,光電效應(yīng)實驗表明：飽和電流不僅與光強有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動能也與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即使光強很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時，無論光強再大也沒有光電流。,光電效應(yīng)具有瞬時性。而經(jīng)典認為光能量分布在波面上，吸收能量要時間，即需能量的積累過程。,為了解釋光電效應(yīng)，愛因斯坦在能量子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論，提出了光量子假設(shè)。,3.愛因斯坦的光量子假設(shè),1.內(nèi)容,光不僅在發(fā)射和

6、吸收時以能量為h?的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時也是如此。也就是說，頻率為? 的光是由大量能量為 ? =h? 光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速 c 運動。,在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功W0，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭幽?Ek 。由能量守恒可得出：,2.愛因斯坦光電效應(yīng)方程,3. 從方程可以看出光電子初動能和照射光的頻率成線性關(guān)系 4.從光電效應(yīng)方程中，當初動能為零時，可

7、得極極限頻率：,愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋： 1. 光強大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。 2. 電子只要吸收一個光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時間的累積。,,,由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)的實驗規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎。,愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當時并未被物理學(xué)家們廣泛承認，因為它完全違背了光的波動理論。,4.光電效應(yīng)理論的驗證,美國物理學(xué)家密立根，花了十年

8、時間做了“光電效應(yīng)”實驗，結(jié)果在1915年證實了愛因斯坦方程，h 的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。,愛因斯坦由于對光電效應(yīng)的理論解釋和對理論物理學(xué)的貢獻獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎,密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎,。,可以用于自動控制，自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等。,4.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用,1.光控繼電器,,可對微弱光線進行放

9、大，可使光電流放大105~108 倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。,2.光電倍增管,應(yīng) 用,光電管,,,,,,,,,,,,,,,,,,,光,電源,,,,,電流計,,,I,A,K,康普頓效應(yīng),第2課時,1.光的散射,光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做光的散射,2.康普頓效應(yīng),1923年康普頓在做 X 射線通過物質(zhì)散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同的射線外，還有比入射線波長

10、更長的射線，其波長的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長 和散射物質(zhì)都無關(guān)。,一.康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律：,晶體,光闌,探測器,?0,散射波長?,康普頓正在測晶體對X 射線的散射,按經(jīng)典電磁理論： 如果入射X光是某 種波長的電磁波， 散射光的波長是 不會改變的！,康普頓散射曲線的特點：,1.除原波長?0外出現(xiàn)了移向長波方向的新的散射波長? 。,2.新波長? 隨散射角的增大而增大。,散射中出現(xiàn) ?≠?0 的現(xiàn)象，

11、稱為康普頓散射。,波長的偏移為,稱為電子的Compton波長,只有當入射波長?0與?c可比擬時，康普頓效應(yīng)才顯著，因此要用X射線才能觀察到康普頓散射，用可見光觀察不到康普頓散射。,波長的偏移只與散射角? 有關(guān)，而與散射物質(zhì)種類及入射的X射線的波長?0 無關(guān)，,?c = 0.0241Å=2.41?10-3nm（實驗值）,遇到的困難,經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時,2. 無法解釋波長改變和散射角的關(guān)系。,射光頻率應(yīng)等于入射光頻

12、率。,其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散,過物質(zhì)時，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動，,1. 根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當電磁波通,光子理論對康普頓效應(yīng)的解釋,康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的,子能量幾乎不變，波長不變。,小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光,光子將與整個原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠,2. 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，,是散射光的波長大于入射光的波長。,部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于,1. 若光子和外層電子

13、相碰撞，光子有一,結(jié)果，具體解釋如下：,3. 因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度,有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。,光子理論對康普頓效應(yīng)的解釋,三.康普頓散射實驗的意義,（1）有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設(shè)；,（2）首次在實驗上證實了“光子具有動量” 的假設(shè)；,（3）證實了在微觀世界的單個碰撞事件中， 動量和能量守恒定律仍然是成立的。,康普頓的成功也不是一帆風順的，在他早期的幾篇論文中，一直認為散射光頻率的改變是

14、由于“混進來了某種熒光輻射”；在計算中起先只考慮能量守恒，后來才認識到還要用動量守恒。,康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎。,康普頓,1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎,(1892-1962)美國物理學(xué)家,1927,1925—1926年，吳有訓(xùn)用銀的X射線(?0 =5.62nm) 為入射線, 以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，,四、吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)的貢獻,1923年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.,對證實康普頓效應(yīng)作出了重要貢